CN104759942A - 一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，包括：(1)建立薄壁零件的三维模型，获得数控代码；(2)在三维模型中提取测量的点位；(3)基于模型进行测量路径规划；(4)对工件毛坯进行粗加工和半精加工；(5)进行在机测量，获取所有规划的测量点位的坐标值；(6)将获得的测量点位的坐标值与薄壁零件三维模型上对应点进行对比，计算出实际加工工件的每个点位的坐标与三维模型上对应点的偏差；(7)根据加工偏差施以补偿系数优化加工轨迹据此进行精加工，得到最终的加工变形偏差及补偿值。本发明的方法经过半精加工与精加工设计，二者使用完全相同的加工参数，即只需用一组试验尽可能的实现同类材料及特征的薄壁零件最佳的精加工补偿效果。

Description

一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法
技术领域
本发明涉及薄壁零件加工误差测量与补偿技术领域，具体涉及一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法。
技术背景
在航空航天领域，为了减轻零部件的重量，通常设计成薄壁结构，厚度在2mm以下，同时为提高比强度，一般选用性能优越的钛合金、航空铝合金等作为关键零件和结构件的材料，对零件最终的精度要求比较高，但这些材料在冷加工性能较差，刀具磨损严重，由于薄壁结构刚性较弱，对切削力、机床运动误差等十分敏感，特别是当机床工作一定年限后，机床、夹具、工件组成的***存在的加工误差有所扩大，使得薄壁零件的变形更加严重，传统的加工手段无法满足薄壁件加工需求，因此抑制难加工薄壁件在切削过程中变形是航空航天制造领域热点问题。
实际铣削难加工薄壁零件时，为了尽可能减少工件的变形，通常从工艺的角度出发，选择较慢的铣削速度，减小切削力，避免接近工件的共振频率区域，同时为了增强加工过程中零件的刚性，采用分层环绕铣削，不同的区域采用不同的刀具以及切削速度。这些措施在一定程度上能够减小薄壁件加工的变形，但是降低了零件加工的效率，同时需要进行大量的试验和分析总结，才能摸索出比较合适的工艺参数，实际加工过程中多次工艺参数的调整也为工人的操作带来诸多不便。
随着测量和加工新技术的发展与应用，在抑制薄壁件变形的方法上有一些新方法，申请号为201210376274.1的中国专利申请文件中公开了一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，利用机床接触式测头实现原位测量，将实际加工偏差测量出来，利用完全镜像的原理修改数控代码。此方法主要针对常规厚度的曲面零件原位补偿加工，对于厚度2mm以下的薄壁平面零件，这种测量后的补偿加工效果不明显，而且完全镜像补偿的加工方法对于薄壁零件来说可能带来更大的变形。申请号为201210364066.X的中国专利申请中公开了一种薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法，其基于三坐标测量的点位数据，经过多次迭代思想，解决叶片类零件精密加工的难题，但是该方法利用三坐标的离线检测手段，需要进行二次装夹，造成加工过程中断，加工坐标系丢失，同时多次迭代的方法是一个反复的过程，降低了加工的效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，其通过获取加工过程中零件的测点坐标，利用数字化建模、数控加工、离线检测路径规划、点云拟合、加工代码再生等过程，进行精确的预测性补偿加工，达到难加工薄壁零在机测量、变形补偿等目的，克服了目前难加工薄壁平面零件加工过程中绝对尺寸偏差不可测的难题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体为：
一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立薄壁零件的三维模型，并分别规划工件粗加工、半精加工以及精加工的加工工艺参数，进行加工仿真，然后将刀轨信息后置处理成数控***和机床能够识别的数控代码；
在三维建模软件中设计平面薄壁件的模型，并在数控加工模块中进行操作，分别规划工件粗加工、半精加工、精加工的加工工艺参数，其中粗加工去除工件的大部分余量，半精加工与精加工的工艺参数设计的完全相同。在软件环境下进行加工仿真，在完全没有碰撞和干涉的情况下，将刀轨信息后置处理成适合数控***和机床能够识别的数控代码。
(2)在薄壁零件的三维模型中进行在机测量的点位位置规划，并据此在薄壁零件表面从上到下依次提取多条线段，并从线段中提取测量的点位；
在建模环境中，选取需要在机测量点位的平面，操作面抽取线段，选取线段提取测量的点位，最后导出点数据。
(3)根据数控机床模型、实际测量所用的测头和探针型号，以及获得的点位数据进行测量路径规划；
工件三维模型、点位数据先后分别导入到在机测量路径规划软件中，两者在此软件中组成新的对应关系与之前三维模型中建立的一致，通过中间路径规划，增加过渡点等手段是使测量仿真过程全局无干涉。最后将测量规划的信息后置处理成机床能够识别的数控测量循环代码。
(4)将工件毛坯安装到数控机床工作台上，并利用步骤(1)中生成的数控代码先进行粗加工，并粗加工完后更换刀具，进行半精加工；
(5)将步骤(3)中生成的测量路径导入机床中，把切削用的刀具更换成机床测头，通过对刀，将测量坐标系与加工坐标系保持一致，然后进行在机测量，获取所有规划的测量点位的坐标值；
(6)将获得的测量点位的坐标值与薄壁零件三维模型上对应点进行对比，计算出实际加工工件的每个点位的坐标与三维模型上对应点的偏差，以评估半精加工后平面的加工偏差；
(7)根据上述加工偏差优化加工轨迹，并据此进行精加工轨迹规划，得到最终的加工变形偏差及补偿值，以进行精加工；
作为本发明的改进，所述的加工偏差为各点位的偏差的均值。
作为本发明的改进，所述精加工过程采用与半精加工相同的刀具和加工参数。
作为本发明的改进，所述步骤(7)中，通过设置一个与所述加工偏差反向的常量e和一个补偿系数变量λ，以λ·e作为补偿值进行优化。
作为本发明的改进，所述步骤(5)-(7)可重复多次执行，其中每次执行中优化时的补偿系数λ不同，以得到不同的偏差曲线，进而获得最优的补偿值以及补偿系数，以作为最终的加工变形偏差和补偿值。
本发明的方法，通过在加工的机床上进行在线测量，根据已有的变形分析结果，进行预测性的补偿加工，使最终加工出的平面薄壁件减小变形量，同时不降低太多加工效率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明的方法利用仿真与试验相结合的方式，避免了完全仿真预测的边界条件不充足，经过巧妙的半精加工与精加工设计，使用完全相同的加工参数，即只需用一组试验尽可能的实现最佳的补偿效果。
2)本发明的方法能够提高航空航天薄壁结构件的加工精度，特别是对厚度为2mm以下的框梁壁板特征具有很好的变形抑制效果。
3)本发明的方法为薄壁平面件的在机测量提供了一种快捷的路径规划方法，结合三维软件强大的模型编辑功能，结合现有商业测量路径规划软件的避障优势，完成了有规律分布的大规模点的接触式测量，提高了机床接触式测量的效率。
附图说明
图1为按照本发明实施例的方法所应用的薄壁件的加工变形模型示意图；
图2为按照本发明优选实施例的方法的流程图；
图3为按照本发明优选实施例的方法的在线测量测点分布图；
图4为按照本发明优选实施例的方法所应用的薄壁件在半精加工后的偏差分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一个实施例以附图2所示的薄壁悬臂结构为例，但本发明的方法所加工的薄壁零件并不限于上述结构以及其具体的尺寸。实际上，凡是具体薄壁结构的零件本发明的方法均可适用。
本实施例对应的薄壁悬臂结构，其结构尺寸约为悬高30mm、厚0.7mm、宽40mm，薄壁毛坯材料为钛合金TC4，材料硬度为HRC40，在MIKRON UCP800Duro五坐标加工中心上加工，该机床采用Heidenhain iTNC530M数控***，该机床XYZ轴定位精度0.006mm，重复定位精度0.004mm，加工刀具选用直径10mm，刃长25mm，长度75mm，4刃的超细晶粒钨钢刀，测量设备采用雷尼绍机床测量***，重复触发精度1μm。
按照本发明实施例对该薄壁悬臂结构进行加工的具体过程为：
步骤1：在三维建模软件例如Unigraphics NX 7.5软件中建立薄壁件的三维模型，在加工模块中进行粗加工、半精加工、精加工的加工参数及工艺规划。
本实施例中，优选切削方式均为顺铣，粗加工主轴转速设置为800转/秒，保留2mm的余量，半径加工和精加工主轴转速为960转/秒，切削量均为1mm。加工刀轨仿真确认无碰撞和干涉的情况下，将加工刀轨后置处理成数控***例如Heidenhain iTNC530M数控***能够识别的数控代码。
将上述三维模型另存副本，在建模环境下，按照等参数方法在薄壁表面从上到下依次提取多条线段(例如4条线段)，每条线段等分间距，从薄壁边缘优选5％至95％之间生成例如15个点，每个表面测点的数量规划优选为60个，是测点位置在机床测头能够触发的零件表面比较均匀的分布。
选中生成的测点，导出，本实施例中导出成IGS格式文件。
步骤2：将步骤1中的零件三维模型导入到在机测量软件例如PowerINSPECT2012中，导入数控机床的数字模型，选择实际测量***所用的测头、探针型号，并将步骤1中导出的IGS格式文件的测点数据导入到在机测量软件PowerINSPECT 2012中，进行测量路径规划，***测量起始位置和结束位置，以及中间点，避免在测量过程中探针出现碰撞。
测量过程完全仿真后，将测量规划信息后置处理成机床能够识别的数控测量代码，并保留理论测点的对比文件。
步骤3：将工件毛坯安装在数控机床(本实施例中有用的是MIKRON UCP800Duro五坐标加工中心，本发明并不限于此)的工作台上，将步骤1中的数控代码导入机床，先进行粗加工，采用圆角R例如为1mm的4刃钨钢铣刀。待粗加工完成之后进行半精加工，刀具更换为例如平底4刃钨钢铣刀。
步骤4：将步骤2中生成的测量数控代码导入机床中，把切削用的刀具更换成机床雷尼绍OMP40测头，通过对刀***，将测量坐标系与加工坐标系保持一致，然后进行在机测量的过程，获取60个规划点的X、Y、Z三个坐标的数据，测量完毕后将点位实际坐标信息存储在数控***的存储***。
步骤5：将步骤4中机床生成的实际测点信息文件导入到机测量软件PowerINSPECT 2012中，结合之前的理论三维模型及理论测点信息，进行运算对比，计算出每一个测点的三个坐标的偏差。
将偏差信息以文本形式导出，在编写的偏差运算及加工补偿软件中，计算出薄壁平面上60个点的加工偏差均值、最大值、最小值，过滤掉偶然点的偏差之后，再次计算出均值误差，以此值作为评估半精加工后平面的加工偏差。
根据该加工偏差，对加工轨迹进行优化。本实施例中，优选根据加工偏差，在软件中自动修改精加工的数控代码，偏移一个反向偏差均值常量e，并施加一个补偿系数变量λ(λ可以根据实际需要进行具体选择，一般为接近等于1的实验值)，以λ·e作为补偿值，优化加工轨迹。
如图1所示，yi是理论点位置，xi是实际后对应点的位置，对于薄壁平面件，加工后产生的偏差为：
yi＝xi+ei
式中向量ei为理论点与实际点的偏差，从薄壁件测点的分布(图3)可以看出，从远离固定端到固定端的变形误差趋于缩小趋势(图4)，但偏差分布带ε与余量δ的比值为：
ε/δ＜1/30
因此可以人为偏差的分布在一个相对较窄的区域，可以以将总体分布的偏差均值σ作为评价偏差的标准，记作
σ＝ε
根据所有的点均值偏差，修改精加工的数控代码，使新的加工路径能够抵消大部分综合误差引起的变形。
由于半精加工与精加工选用完全相同的加工工艺参数以及同一把刀具，在切削量较小的条件小，可以忽略刀具微小磨损对切削变形的影响，同时由于半精加工、精加工的切削量减小，可以忽略工件薄壁厚度的变化对工件刚度的影响，通过实际的加工试验已经得到验证，可以得出在精加工中工件变形的趋势及变形量将与半精加工趋近相同的结论，因此将半精加工的变形量作为精加工理论补偿量并附带一个约等于1的补偿系数λ比较合适的。
步骤6：将步骤5中优化的精加工数控代码导入数控机床进行数控精加工，使用半精加工的同一把刀具以及完全相同的加工参数。
步骤7：重复N(N＞1)次步骤4、5、6中在机测量及误差运算评估的过程，得出经过加工补偿后的薄壁平面件的加工变形偏差。
绘制不同的补偿系数λ得到的偏差曲线，得到最优的补偿值补偿系数λ，以此作为后续同类零件特征的估计及优化依据。
根据前期试验结论，本实施例中当N＝1时，可设λ＝1直接进行精加工补偿。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立薄壁零件的三维模型，并分别规划工件粗加工、半精加工以及精加工的加工工艺参数，进行加工仿真，然后将刀轨信息后置处理成数控***和机床能够识别的数控代码；
(2)在薄壁零件的三维模型中进行在机测量的点位位置规划，并据此在薄壁零件表面从上到下依次提取多条线段，并从线段中提取测量的点位；
(3)根据数控机床模型、实际测量所用的测头和探针型号，以及获得的点位数据进行测量路径规划；
(4)将工件毛坯安装到数控机床工作台上，并利用步骤(1)中生成的数控代码先进行粗加工，并粗加工完后更换刀具，进行半精加工；
(5)将步骤(3)中生成的测量路径导入机床中，把切削用的刀具更换成机床测头，通过对刀，将测量坐标系与加工坐标系保持一致，然后进行在机测量，获取所有规划的测量点位的坐标值；
(6)将获得的测量点位的坐标值与薄壁零件三维模型上对应点进行对比，计算出实际加工工件的每个点位的坐标与三维模型上对应点的偏差，以评估半精加工后平面的加工偏差；
(7)根据上述加工偏差优化加工轨迹，并据此进行精加工轨迹规划，得到最终的加工变形偏差及补偿值以进行精加工。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，其中，所述的加工偏差为各点位的偏差的均值。
3.根据权利要求1或2所述的一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，其中，所述精加工过程采用与半精加工相同的刀具和加工参数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，其中，所述步骤(7)中，通过设置一个与所述加工偏差反向的常量e和一个补偿系数变量λ，以两者的乘积作为补偿值进行优化。
5.根据权利要求4所述的一种薄壁零件的铣削变形在线测量与补偿加工方法，其中，所述步骤(5)-(7)可重复多次执行，其中每次执行中优化时的补偿系数λ不同，以得到不同的偏差曲线，进而获得最优的补偿值以及补偿系数，以作为最终的加工变形偏差和补偿值。
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